Оптически управляемый переключатель на магнитостатических волнах

Изобретение относится к области радиотехники СВЧ и касается оптически управляемого переключателя. Переключатель содержит управляющий источник света и волноводную структуру. Волноводная структура выполнена из пленки железо-иттриевого граната, расположенной на подложке галлий-гадолиниевого граната, и имеет антенны. Пленка волноводной структуры выполнена подковообразной с внутренним радиусом скругления, равным ее ширине. Управляющий источник света расположен таким образом, чтобы направление излучения было ориентировано перпендикулярно области скругления пленки. Антенны расположены на поверхности пленки железо-иттриевого граната вблизи ее краев. Длина антенны кратна ширине плёнки. Технический результат заключается в обеспечении возможности управления распространением магнитостатической волны при изменении ориентации внешнего магнитного поля и изменении величины намагниченности. 3 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Изобретение относится к радиотехнике СВЧ, в частности к приборам на магнитостатических волнах и может быть использовано в качестве переключателя магнитостатических волн.

Известен оптический переключатель (см. патент США № 5414540 по кл. МПК G02B6/34, опуб. 09.05.1995), содержащий частотно-дисперсионный элемент, принимающий входной луч и рассеивающий его во множество первых лучей в соответствии с частотой; элемент с дисперсией поляризации, принимающий упомянутые первые лучи и выводящий соответствующие вторые лучи; сегментированный жидкокристаллический модулятор поляризации, принимающий упомянутые вторые лучи на соответствующих его сегментах и избирательно вращая их поляризации, чтобы сформировать третьи лучи; и отражатель, отражающий указанные третьи лучи обратно через указанный поляризационный модулятор, указанный поляризационно-дисперсионный элемент и упомянутый частотно-дисперсионный элемент. Таким образом, переключатель делит входной сигнал на несколько выходных сигналов в соответствии с частотными составляющими входной сигнал. Частотно-разделенные компоненты затем раздельно комбинируются в соответствии с их поляризацией, создавая тем самым два или более выходных сигналов.

Недостатком данного устройства является невозможность использования его в системах, основанных на принципах магноники.

Известна система для спинволновой передачи (см. патент США № 2009289736 по кл. МПК H01H53/00, опуб. 26.11.2009), содержащая первую магнитную полосу, сконфигурированную для передачи спиновой волны; вторую магнитную полосу для пропускания спиновой волны, причем вторая магнитная полоса расположена на расстоянии от первой магнитной полосы; соединитель, имеющий первую ориентацию и вторую ориентацию, где в первой ориентации отсутствует соединение между первой магнитной полосой и второй магнитной полосой, а во второй ориентации имеется соединение, которое обеспечивает передачу в виде спиновой волны между первым магнитным полоса и вторая магнитная полоса. Переключение происходит перемещением соединителя между волноводами термическим способом, пьезоэлектрическими или электростатическими силами.

Недостатком данного устройства является отсутствие управления при помощи лазерного излучения.

Известен спин-волновой переключатель (см. заявку WO2017111895 по кл. МПК H01L43/02, опуб. 29.06.2017), содержащий первый ферромагнитный (FM) слой; второй слой FM; слой обменной связи, смежный с первым и вторым слоями; и третий слой, смежный со слоем обменной связи. Переключатель сформирован путем введения разрыва (или зазора) в ферромагнитном (FM) слое (также называемом FM-нанопроводом) и вставки немагнитного элемента (также называемого наномагнитом) в промежутке.

Недостатком данного устройства является сложное построение, а также отсутствие управления оптическим излучением.

Наиболее близким к заявляемому устройству является оптически управляемый ключ миллиметрового диапазона (см. патент РФ № 2685768 по кл. МПК H01L 31/08, опуб.23.04.2019), содержащий управляющий источник света, фотопроводящий полупроводниковый элемент и линию копланарного волновода, причем управляющий источник света выполнен с возможностью облучения фотопроводящего полупроводникового элемента, линия копланарного волновода состоит из заземляющих участков и центрального проводника, конечные точки которого предназначены для соединения с линией передачи сигнала, причем заземляющие участки расположены в боковом направлении относительно центрального проводника и отделены от него материалом фотопроводящего полупроводникового элемента.

Управление происходит за счет прохождения света через фотопроводящий полупроводниковый элемент, имеющий два состояния: выключенное состояние при отсутствии управляющего светового потока и включенное состояние при наличии управляющего светового потока.

Недостатком данного устройства является невозможность использования для систем с магнитостатическими волнами (МСВ) из-за применения волноведущих материалов из металла, а МСВ может существовать в ферромагнетике, часто являющимися диэлектриками. Также можно отнести к недостаткам сложность построения – устройство создано на печатной плате, есть большое количество элементов, которые должны быть расположены в точном порядке (два ряда маленьких металлизированных отверстий, расположенных на расстоянии одной десятой от длины электромагнитной волны).

Технической проблемой заявляемого изобретения является создание оптически управляемого переключателя на магнитостатических волнах, позволяющего расширить спектр элементов связи в магнитоэлектронике за счёт использования оптических волн для управления магнитостатическими волнами.

Технический результат заключается в создании условий, обеспечивающих возможность управления распространением магнитостатической волны при изменении ориентации внешнего магнитного поля и изменении величины намагниченности.

Техническая проблема и технический результат достигаются тем, что в оптически управляемом переключателе, содержащем управляющий источник света и волноводную структуру, согласно изобретению, волноводная структура выполнена из пленки железо-иттриевого граната, расположенной на подложке галлий-гадолиниевого граната, и имеет антенны, при этом плёнка волноводной структуры выполнена подковообразной с внутренним радиусом скругления, равным её ширине, а управляющий источник света расположен таким образом, чтобы направление излучения было ориентировано перпендикулярно области скругления плёнки, антенны расположены на поверхности плёнки железо-иттриевого граната вблизи её краёв, при этом длина антенны кратна ширине плёнки. В предпочтительном варианте антенны расположены на расстоянии, составляющим не менее 2-х длин волн. В качестве источника света выбран лазер с длиной волны 830 нм.

В заявляемом устройстве, в отличии от прототипа, управление распространением магнитостатических волн происходит в области скругления плёнки железо-иттриевого граната (ЖИГ) волноводной структуры, за счёт лазерного излучения.

Изобретение поясняется чертежами, где представлены:

- на фиг. 1 – конструкция переключателя;

- на фиг. 2 – вид переключателя с торца;

- на фиг. 3 – зависимости внутреннего магнитного поля для разного направления внешнего магнитного поля;

- на фиг. 4 – амплитудно-частотные характеристики для волн, распространяющихся при направлении внешнего магнитного поля вдоль оси x без лазерного излучения (а) и с использованием лазерного излучения (б);

- на фиг. 5 – амплитудно-частотные характеристики для волн, распространяющихся при направлении внешнего магнитного поля вдоль оси y. без лазерного излучения (а) и с использованием лазерного излучения (б);

- на фиг. 6 - интенсивность распространяющейся поверхностной МСВ с использованием лазерного излучения (а) и без него (б) на частоте 5,3 ГГц;

- на фиг. 7 - интенсивность распространяющейся обратной объемной МСВ с использованием лазерного излучения (а) и без него (б) на частоте 5,3 ГГц.

Позициями на чертежах обозначены:

1 – управляющий источник света;

2 – волноводная структура;

3 – подложка из плёнки галлий - гадолиниевого граната (ГГГ);

4 – плёнка железо-иттриевого граната (ЖИГ) на поверхности подложки ГГГ;

5 – входная микрополосковая антенна;

6 – выходная микрополосковая антенна;

7 – область лазерного нагрева;

8 – линия съема зависимости внутреннего магнитного поля;

9, 10 – зависимость внутреннего магнитного поля по линии 8 в случае направления внешнего магнитного поля вдоль оси x без нагрева (кривая 9) и с нагревом (кривая 10);

11, 12 – зависимость внутреннего магнитного поля по линии 8 в случае направления внешнего магнитного поля вдоль оси у без нагрева (кривая 11) и с нагревом (кривая 12);

13 – амплитудно-частотная характеристика на входной микрополосковой антенне 5;

14 - амплитудно-частотная характеристика на выходной микрополосковой антенне 6.

Устройство содержит управляющий источник света 1 и волноводную структуру 2. Волноводная структура 2 представляет собой подложку 3 из плёнки галлий гадоллиниевого граната (ГГГ) с размерами (ШхДхТ) 2000 мкм х 2500 мкм х 500 мкм. На поверхности подложки 3 сформирована пленка 4 железо-иттриевого граната (ЖИГ) толщиной t=10 мкм. Плёнка 4 выполнена подковообразной и имеет 3 сегмента: первое плечо, область скругления и второе плечо. Длина плеч ll составляет 1500 мкм, ширина каждого плеча плёнки w=500 мкм, расстояние между двумя плечами плёнки ЖИГ 2w=1000 мкм. Намагниченность насыщения плёнки 4 составляет Гс.

На плёнке ЖИГ 4 расположены микрополосковые антенны 5, 6 шириной 30 мкм, обеспечивающими возбуждение и прием магнитостатических волн. При этом входная антенна 5 расположена на одном конце плёнки 4, а выходная антенна 6 расположена на втором конце плёнки 4.

Для эффективного возбуждения магнитостатической волны (МСВ) антенны расположены на расстоянии, составляющим не менее 2-х длин волн. Ширина антенны является одним из важных параметров в возбуждении МСВ различной частоты. При ширине антенны в 30 мкм возбуждаемая МСВ достигает выходной антенны 4.

Управляющий источник света 1 расположен таким образом, чтобы направление излучения было ориентировано перпендикулярно области скругления плёнки 4. В качестве источника 1 предпочтительно использовать лазер с длиной волны 830 нм.

Устройство работает следующим образом: Входной микроволновый сигнал, частота которого должна лежать в диапазоне частот, определяемым величиной внешнего постоянного магнитного поля, подается на входную антенну 5 и создается при помощи источника СВЧ сигнала (генератора). Далее микроволновый сигнал преобразуется в магнитостатическую волну (МСВ), распространяющуюся вдоль плёнки 4 волноводной структуры 2. Профиль внутреннего магнитного поля неравномерен из-за нерегулярности (закругления волновода). Результат распространения МСВ в структуре детектируется на выходной антенне 6, например, анализатором цепей, при помощи которого можно построить амплитудно-частотные характеристики.

Данный переключатель работает при двух конфигурациях внешнего магнитного поля:

-поле направлено вдоль оси х, в волноводе возбуждается поверхностная МСВ;

-поле направлено вдоль оси y, в волноводе возбуждается обратная объемная МСВ.

В области 7 производится нагрев лазерным излучением, где происходит изменение намагниченности, влияющей на свойства распространяющейся МСВ.

Диаметр пятна составляет порядка 1 мм, что дает возможность создать градиент температуры по всей ширине волноводной структуры 2.

На фигуре 3 показана зависимость профиля внутреннего магнитного поля, снятая с линии 8. Линии 9 (без лазера) и 10 (с лазером) соответствуют случаю, когда внешнее магнитное поле направлено вдоль оси х. Линии 11 (без лазера) и 12 (с лазером) соответствуют случаю, когда внешнее магнитное поле направлено вдоль оси y.

На фигуре 4 показаны амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) для случая, когда поле направлено вдоль оси х. Фигура 4(а) соответствует режиму работы переключателя без использования лазерного излучения в области 7. Пунктирной линией 13 обозначена АЧХ, полученной на входной антенне 5, а сплошной линией 14 – АЧХ, полученной на выходной антенне 6. Фигура 4(б) соответствует режиму работы переключателя с использования лазерного излучения в области 7. Пунктирной линией 13 обозначена АЧХ, полученной на входной антенне 5, а сплошной линией 14 – АЧХ, полученной на выходной антенне 6.

На фигуре 5 показаны амплитудно-частотные характеристики для случая, когда поле направлено вдоль оси y. Фигура 5(а) соответствует режиму работы переключателя без использования лазерного излучения в области 7. Пунктирной линией 13 обозначена АЧХ, полученной на входной антенне 5, а сплошной линией 14 – АЧХ, полученной на выходной антенне 6. Фигура 5(б) соответствует режиму работы переключателя с использования лазерного излучения в области 7. Пунктирной линией 13 обозначена АЧХ, полученной на входной антенне 5, а сплошной линией 14 – АЧХ, полученной на выходной антенне 6.

На фигуре 6 представлена интенсивность распространяющейся поверхностной МСВ при выключенном (6(а)) и включенном (6(б)) лазерном излучении на частоте 5.3 ГГц. Хорошо видно, что при включенном лазерном излучении волна лучше распространяется в волноводе, чем для случая с выключенном лазерном излучением.

На фигуре 7 представлена интенсивность распространяющейся обратной объемной МСВ при выключенном (7(а)) и включенном (7(б)) лазерном излучении на частоте 5.3 ГГц. Хорошо видно, что при выключенном лазерном излучении волна лучше распространяется в волноводе, чем для случая с включенным лазерным излучением.

Такой эффект происходит из-за изменения намагниченности при помощи лазерного нагрева. В области нагрева величина намагниченности у пленки ЖИГ уменьшается (см. фиг. 3). В случае, когда внешнее магнитное поле направлено вдоль оси y, провал намагниченности становится таким, что спиновая волна перестает распространятся (см. фиг. 7(а)) в пленке.

За счёт использования лазерного излучения в данной системе возможно переключение распространения МСВ. Это позволяет расширить функциональные возможности переключателя и использовать его как управляемый переключатель на магнитостатических волнах.

1. Оптически управляемый переключатель, содержащий управляющий источник света и волноводную структуру, отличающийся тем, что волноводная структура выполнена из пленки железо-иттриевого граната, расположенной на подложке галлий-гадолиниевого граната, и имеет антенны, при этом плёнка волноводной структуры выполнена подковообразной с внутренним радиусом скругления, равным её ширине, а управляющий источник света расположен таким образом, чтобы направление излучения было ориентировано перпендикулярно области скругления плёнки, антенны расположены на поверхности плёнки железо-иттриевого граната вблизи её краёв, при этом длина антенны кратна ширине плёнки.

2. Оптически управляемый переключатель по п. 1, отличающийся тем, что антенны расположены на расстоянии, составляющем не менее двух длин волн.

3. Оптически управляемый переключатель по п. 1, отличающийся тем, что в качестве источника света выбран лазер.

4. Оптически управляемый переключатель по п. 3, отличающийся тем, что лазер выбран с длиной волны 830 нм.